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entdeckt_01_2015

TITEL// DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 12 13 auf ein Festkörper-Target, eine zwei Mikrometer dünne Titan- Folie, dann werden Elektronen im Laserfeld beschleunigt und erzeugen starke elektrische Felder an den Oberflächen des Targets. Atome aus der Folie und auf der Oberfläche der Folie haftende Verunreinigungen – winzige Mengen an Kohlen- wasserstoffen – werden ionisiert und in diesen elektrischen Feldern beschleunigt. Die meisten der Ionen sind Protonen. Diese Protonen können derzeit eine Energie von 20 Mega- Elektronenvolt (MeV) erreichen, für medizinische Anwendun- gen werden allerdings rund 180 MeV benötigt. Einem unbekannten Phänomen auf der Spur Ein Problem ist die Energie der beschleunigten Teilchen, ein anderes ist die Stabilität: Teilchenbeschleuniger müssen konstant funktionieren und eine sehr hohe Reproduzierbarkeit garantieren. „Das ist uns hier in Ansätzen bereits gelungen“, sagt Josefine Metzkes. „Wir konnten mit vielen tausenden Protonenpulsen unter sehr konstanten Bedingungen Zellen bestrahlen und die biologische Wirkung mit hoher Genauigkeit untersuchen.“ Die Forschergruppe entdeckte aber – quasi nebenbei – einen für den studierten Parameterbereich bisher unbekannten Effekt: Wird die Laser-Energie immer weiter gesteigert, um die Energie der Protonen zu erhöhen, ändern sich an einem bestimmten Punkt deren Eigenschaften. „Der Protonenstrahl bricht regelrecht auf, er filamentiert“, erklärt Josefine Metzkes. „Für eine Anwendung in der Medizin ist das ganz entscheidend, schließlich benötigt man homogene und vorhersehbare Strahlen.“ Wo genau die Instabilitäten herkom- men, ist noch nicht geklärt. Genauso wenig, ob diese abhängig von den Energien des Lasers sind. Dies soll am DRACO-Laser untersucht werden, der derzeit zu einem etwa fünffach so starken System umgebaut wird. Zukünftig können die Wissen- schaftler hier mit einer Leistung von einem Petawatt Protonen beschleunigen. Zum Vergleich: Deutschlands Kraftwerke haben eine Leistung von insgesamt rund 194 Gigawatt – das neue Lasersystem erreicht für die Dauer eines Lichtpulses von 30 Femtosekunden in etwa die 5.000-fache Leistung. Die Blackbox öffnen Für Wissenschaftler interessant sind aber nicht nur die Pro- tonen, sondern auch der Beschleunigungsvorgang an sich. Er findet auf wenigen Mikrometern Länge und innerhalb weniger Femtosekunden, also Billiardstel Sekunden, statt. Diesen Vor- gang beschreibt Josefine Metzkes derzeit in ihrer Doktorar- beit. Sie hat untersucht, was genau am Target passiert, wenn es vom Laser getroffen wird. „Wir wollen klären, wann und wie weit sich ein Plasma an der Folie bildet, wann genau also der Laserpuls beginnt, das Target zu verändern. Das Ganze ist sonst eine Blackbox. Die müssen wir aber verstehen, um die Laser-Parameter gezielt verändern zu können.“ Um Licht ins sprichwörtliche Dunkel zu bringen, spalten die Wissen- schaftler einen Teil des DRACO-Pulses ab, verändern dessen Frequenz so, dass blaues Licht entsteht, und fangen die Reflexion am Plasma mit einer Kamera auf. „Vereinfacht kann man sich das so vorstellen, dass man mit einer sehr schnel- len Taschenlampe auf ein Ziel leuchtet und davon ein Foto macht“, so Metzkes. Es entstehen Ringsignaturen, die je nach Plasmabedingungen in ihrer Größe variieren und Aufschluss darüber geben, wie sich das Target verändert hat. Für Josefine Metzkes sind dies wieder ein paar fehlende Puzzlestücke. PUBLIKATIONEN: J. Metzkes u. a.: „Experimental observation of transverse modulations in laser-driven proton beams”, in New Journal of Physics 2014 (DOI: 10.1088/1367-2630/16/2/023008) K. Zeil, J. Metzkes u. a.: „Direct observation of prompt pre- thermal laser ion sheath acceleration”, in Nature Communica- tions 2012 (DOI: 10.1038/ncomms1883) STRAHLENQUELLE: In dieser Kammer trifft ein hochintensiver Laser- auf einen Elektronenstrahl. So entsteht Röntgenstrahlung. Foto: Frank Bierstedt Josefine Metzkes Josefine Metzkes hat in Halle (Saale) und Toronto Medizinische Physik studiert und arbeitet seit 2008 in Dresden. Ihr Diplomarbeits- und schließlich auch Promotionsthema hat die Brandenburgerin übers Radio gefunden. „Ich habe zufällig einen Bericht über den Aufbau von DRACO hier am HZDR gehört“, erinnert sie sich. „Und da ich gerade am Ende meines Studium war, habe ich mich beworben.“ Josefine Metzkes hat die Experimente am DRACO-Laser von Anfang an begleitet: Vom Aufbau der Experimentierkam- mern über die Justierung der Optik bis hin zur Auswertung. KONTAKT _Institut für Strahlenphysik am HZDR Josefine Metzkes j.metzkes@hzdr.de

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